FreeRTOS嵌入式開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹

FreeRTOS(讀作"free-arr-toss")是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)使用的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。FreeRTOS被設(shè)計(jì)為“小巧，簡單，和易用”，能支持許多不同硬件架構(gòu)以及交叉編譯器。

FreeRTOS自2002年Richard Barry開始開發(fā)以來，一直都在積極開發(fā)中。至于我，我不是FreeRTOS的開發(fā)人員或貢獻(xiàn)者，我只不過是一個(gè)最終用戶和愛好者。因此，這章將著重與FreeRTOS架構(gòu)之“是什么”和“怎么做”，而相對(duì)本書其他章節(jié)來說，較少去講“為什么”。

就像所有操作系統(tǒng)一樣，F(xiàn)reeRTOS的主要工作是執(zhí)行任務(wù)。大部分FreeRTOS的代碼都涉及優(yōu)先權(quán)、調(diào)度以及執(zhí)行用戶自定義任務(wù)。但又與所有其他操作系統(tǒng)不同，F(xiàn)reeRTOS是一款運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

到本章結(jié)束，我希望你可以了解FreeRTOS的基本架構(gòu)。大部分FreeRTOS致力于執(zhí)行任務(wù)，所以你可以很好地看到它究竟是如何做到的。

如果這是你首次去深入了解一個(gè)操作系統(tǒng)，我還是希望你可以學(xué)習(xí)到最基本的操作系統(tǒng)是如何工作的。FreeRTOS是相對(duì)簡單的，特別是相比Windows，linux，或者OS X而言，不過所有操作系統(tǒng)都有著相同的概念和目標(biāo)，所以不論學(xué)習(xí)哪個(gè)操作系統(tǒng)都是有啟發(fā)和有趣的。

3.1 什么是“嵌入式”和“實(shí)時(shí)”？

“嵌入式”和“實(shí)時(shí)”對(duì)于不同的人來說代表不同的理解，所以讓我們像FreeRTOS用戶那樣來定義它們。

嵌入式系統(tǒng)就是一個(gè)專門設(shè)計(jì)用來做一些簡單事情的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，就像是電視遙控器，車載GPS，電子手表，或者起搏器這類。嵌入式系統(tǒng)比通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯著的區(qū)別在于更小和更慢，通常也更便宜。一個(gè)典型的低端嵌入式系統(tǒng)可能有一個(gè)運(yùn)行速度為25MHz的8位CPU，幾KB的內(nèi)存，和也許32KB的閃存。一個(gè)高端的嵌入式系統(tǒng)可能有一個(gè)運(yùn)行速度為750MHz的32位CPU，一個(gè)GB左右的內(nèi)存，和幾個(gè)GB的閃存。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)去完成一定時(shí)間內(nèi)的事，它們保證這些事是在應(yīng)該做的時(shí)候去做。

心臟起搏器是實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)極好例子。起搏器必須在正確的時(shí)間收縮心肌，以挽救你的生命；它不能夠太忙而沒有及時(shí)響應(yīng)。心臟起搏器以及其他的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)都必須精心設(shè)計(jì)，以便在任何時(shí)刻都能及時(shí)執(zhí)行它們的任務(wù)。

3.2架構(gòu)概述

FreeRTOS是一個(gè)相對(duì)較小的應(yīng)用程序。最小化的FreeRTOS內(nèi)核僅包括3個(gè)（.c）文件和少數(shù)頭文件，總共不到9000行代碼，還包括了注釋和空行。一個(gè)典型的編譯后（二進(jìn)制）代碼映像小于10KB。

FreeRTOS的代碼可以分解為三個(gè)主要區(qū)塊：任務(wù)，通訊，和硬件接口。

●任務(wù)：大約有一半的FreeRTOS的核心代碼用來處理多數(shù)操作系統(tǒng)首要關(guān)注的問題：任務(wù)。任務(wù)是給定優(yōu)先級(jí)的用戶定義的C函數(shù)。task.c和task.h完成了所有有關(guān)創(chuàng)建，調(diào)度，和維護(hù)任務(wù)的繁重工作。

●通訊：任務(wù)很重要，不過任務(wù)間可以互相通訊則更為重要！它給我們帶來FreeRTOS的第二項(xiàng)任務(wù)：通訊。大約40%的FreeRTOS核心代碼是用來處理通訊的。queue.c和queue.h是負(fù)責(zé)處理FreeRTOS的通訊的。任務(wù)和中斷使用隊(duì)列互相發(fā)送數(shù)據(jù)，并且使用信號(hào)燈和互斥來發(fā)送臨界資源的使用情況。

●硬件接口：接近9000行的代碼拼湊起基本的FreeRTOS，是硬件無關(guān)的；相同的代碼都能夠運(yùn)行，不論FreeRTOS是運(yùn)行在不起眼的8051，還是最新、最炫的ARM內(nèi)核上。大約有6%的FreeRTOS的核心代碼，在硬件無關(guān)的FreeRTOS內(nèi)核與硬件相關(guān)的代碼間扮演著墊片的角色。我們將在下個(gè)部分討論硬件相關(guān)的代碼。

硬件注意事項(xiàng)

硬件無關(guān)的FreeRTOS層在硬件相關(guān)層之上。硬件相關(guān)層聲明了你選擇什么樣的芯片架構(gòu)。圖3.1顯示了FreeRTOS的各層。

圖3.1：FreeRTOS的軟件層

FreeRTOS包含所有你需要用來啟動(dòng)很運(yùn)行系統(tǒng)的硬件無關(guān)以及硬件相關(guān)的代碼。它支持許多編譯器（CodeWarrior，GCC，IAR等）也支持許多處理器架構(gòu)（ARM7，ARM Cortex-M3，PICs各系列，Silicon Labs 8051, x86等）。請(qǐng)參閱FreeRTOS網(wǎng)站，可以看到處理器和編譯器支持列表。

FreeRTOS是高可配置設(shè)計(jì)。FreeRTOS可以被編譯成為適合單CPU，極簡RTOS，只之支持少數(shù)任務(wù)的操作系統(tǒng)，也可以被編譯成為適合多核功能強(qiáng)大的結(jié)合了TCP/IP，文件系統(tǒng)，和USB的怪獸。

配置選項(xiàng)可以通過設(shè)置不同的#defines，在FreeRTOSConfig.h文件里選擇。時(shí)鐘速度，堆大小，互斥，和API子集，連同其他許多選項(xiàng)，都可以在這個(gè)文件中配置。這里是幾個(gè)例子，設(shè)置了任務(wù)優(yōu)先級(jí)的最大數(shù)量，CPU的頻率，系統(tǒng)節(jié)拍器的頻率，最小的堆棧大小和總的堆大?。?br /> #define configMAX_PRIORITIES ( ( unsigned portBASE_TYPE ) 5 )
#define configCPU_CLOCK_HZ ( 12000000UL )
#define configTICK_RATE_HZ ( ( portTickType ) 1000 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( unsigned short ) 100 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 4 * 1024 ) )

對(duì)于不同的交叉編譯器和CPU架構(gòu)，硬件相關(guān)代碼分布在多個(gè)文件中。舉例來說，如果你使用ARM Cortex-M3芯片，IAR編譯器工作，那么硬件相關(guān)的代碼就存在FreeRTOS/Source/portable/IAR/ARM_CM3/目錄下。portmacro.h文件聲明了所有硬件特定功能，port.c和portasm.s 包含了所有實(shí)際硬件相關(guān)的代碼。硬件無關(guān)的頭文件portable.h在編譯的時(shí)候用#include's引入正確的portmacro.h文件。FreeRTOS使用#define'd調(diào)用在portmacro.h中聲明的硬件特定功能。

讓我們來看一個(gè)例子，F(xiàn)reeRTOS是如何調(diào)用一個(gè)硬件相關(guān)功能的。硬件無關(guān)的文件tasks.c常常需要插入一個(gè)代碼的臨界區(qū)，以防止搶占。在不同架構(gòu)上，插入一個(gè)臨界區(qū)的表現(xiàn)也不同，并且硬件無關(guān)的task.c不需要了解硬件相關(guān)的細(xì)節(jié)。所以task.c調(diào)用全局宏指令portENTER_CRITICAL(), 樂得忽略它實(shí)際上是如何做到的。假設(shè)我們使用IAR編譯器在ARM Crotex-M3芯片上編譯生成FreeRTOS，使用那個(gè)定義了portENTER_CRITICAL()的文件/Source/portable/IAR/ARM_CM3/portmacro.h，如下所示：
#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()

vPortEnterCritical()實(shí)際上是在FreeRTOS/Source/portable/IAR/ARM_CM3/port.c中定義的。這個(gè)port.c文件是一個(gè)硬件相關(guān)的文件，同時(shí)包含了對(duì)IAR編譯器和Cortex-M3芯片認(rèn)識(shí)的代碼文件。vPortEnterCritical()函數(shù)利用這些硬件特定的知識(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，又返回到與硬件無關(guān)的task.c中。

protmacro.h文件也定義了一個(gè)數(shù)據(jù)類型的基本架構(gòu)。這個(gè)數(shù)據(jù)類型中包括了基本整型變量，指針，以及系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍器的數(shù)據(jù)類型，在ARM Cortex-M3 chips上使用IAR編譯器時(shí)，就采用如下定義：

#define portBASE_TYPE long // Basic integer variable type
#define portSTACK_TYPE unsigned long // Pointers to memory locations
typedef unsigned portLONG portTickType; // The system timer tick type
這樣使用數(shù)據(jù)類型的方法，和函數(shù)透過小層的#defines，看上去略微有點(diǎn)復(fù)雜，不過它允許了FreeRTOS能夠被重新編譯在一個(gè)完全不同的系統(tǒng)架構(gòu)上，僅僅只需要通過修改這些硬件相關(guān)的文件。同時(shí)，如果你想要讓FreeRTOS運(yùn)行在一個(gè)當(dāng)前尚未被支持的架構(gòu)上，你只僅僅需要去實(shí)現(xiàn)硬件相關(guān)的功能，這要比在FreeRTOS上去實(shí)現(xiàn)硬件無關(guān)的部分，要少得多。

就如同我們已經(jīng)見到的，F(xiàn)reeRTOS用C的預(yù)處理宏#define來實(shí)現(xiàn)硬件相關(guān)的功能。FreeRTOS也同樣用#define來應(yīng)對(duì)大量的硬件無關(guān)的代碼。對(duì)于非嵌入式應(yīng)用程序這樣頻繁使用#define是一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤，不過在許多小型嵌入式系統(tǒng)中這點(diǎn)開銷比起“實(shí)時(shí)”所提供的功能來說就微不足道了。

3.3. 調(diào)度任務(wù)：快速概述

任務(wù)優(yōu)先級(jí)和就緒列表

所有任務(wù)都有一個(gè)用戶指定優(yōu)先級(jí)，從0（最低優(yōu)先級(jí)）到 configMAX_PRIORITIES-1的編譯時(shí)間值（最高優(yōu)先級(jí)）。例如，如果configMAX_PRIORITIES設(shè)置為5，當(dāng)FreeRTOS使用5個(gè)優(yōu)先等級(jí)時(shí)：0(最低優(yōu)先級(jí))，1，2，3，和4（最高優(yōu)先級(jí)）。

FreeRTOS使用一個(gè)“就緒列表”來跟蹤所有已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行的任務(wù)。它像一個(gè)任務(wù)列表數(shù)組來實(shí)現(xiàn)就緒列表，如下所示：

static xList pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]; /* Prioritised ready tasks. */
pxReadyTasksLists[0]是所有準(zhǔn)備好的優(yōu)先級(jí)為0的任務(wù)列表，pxReadyTasksLists[1]是所有準(zhǔn)備好的優(yōu)先級(jí)為1的任務(wù)列表，以此類推，直到pxReadyTasksLists[configMAX_PRIORITIES-1]。